Революционный оптический метод отслеживания обеспечивает идеальную посадку экзоскелета и безопасность пользователя

Экзоскелеты, многие из которых работают на пружинах или моторах, могут вызывать боль или травмы, если их суставы не выровнены с суставами пользователя. Для снижения этих рисков был разработан новый метод измерения для проверки того, движутся ли экзоскелет и человек, надевающий его, плавно и в гармонии.

Метод — это оптическая система отслеживания (OTS), не в отличие от техник захвата движения, используемых кинематографистами для оживления компьютерно-генерированных персонажей. OTS использует специальные камеры, которые излучают свет и захватывают то, что отражается обратно сферическими маркерами, расположенными на объектах интереса. Компьютер вычисляет положение помеченных объектов в 3D пространстве. Подход использовался для отслеживания движения экзоскелета и тестовых деталей, называемых «артефактами», закрепленных на его пользователе.

Конечная цель — надеть эти артефакты на человека, надеть экзоскелет, сравнить разницу в человеке с артефактами против экзоскелета и увидеть, движутся ли они в унисон. Если они движутся по-разному или не подходят правильно, корректировки могут быть сделаны.

Исследователи стремились захватить движение колена — одного из относительно простых суставов тела. Для оценки неопределенности измерения нового подхода они построили две искусственные ноги как тестовые площадки. Одна имела готовый протез колена, в то время как другая включала 3D-печатаемое колено, которое более точно имитировало настоящее. Металлические пластины также были закреплены на ногах с помощью банджи-шнуров для представления экзоскелетных конечностей или тестовых артефактов, прикрепленных к телу. После закрепления маркеров на ногах и пластинах команда использовала OTS и цифровой транспортер для измерения углов колена по всему их диапазону движения. Сравнивая два набора измерений, они смогли определить, что их система способна точно отслеживать положение ноги. Тесты также установили, что их система может вычислять отдельные движения ног и экзоскелетных пластин, позволяя исследователям показать, насколько точно выровнены они при движении.

Для адаптации метода к использованию на реальной ноге человека, команда спроектировала и 3D-печатала регулируемые артефакты, которые — как коленная накладка — прилегают к бедру и голени пользователя. В отличие от кожи, которая смещается из-за собственной эластичности и сокращающихся мышц под ней, или обтягивающей одежды, которая может быть неудобной для некоторых, эти артефакты предлагают жесткую поверхность для стабильного и последовательного размещения маркеров на разных людях. Команда закрепила коленные артефакты и полнотелый экзоскелет, украшенный рефлективными маркерами, на человеческом субъекте. С OTS, наблюдающим, субъект выполнил несколько подходов приседаний. Тесты показали, что большую часть времени нога субъекта и экзоскелет двигались в гармонии. Но на короткие моменты тело субъекта двигалось, пока экзоскелет нет. Эти паузы могут быть объяснены тем, как работает этот экзоскелет.

Для обеспечения дополнительной силы он использует пружины, которые включаются и отключаются по мере движения человека. Экзоскелет паузирует, когда пружины меняют режимы, временно сопротивляясь движению пользователя. Обнаруживая нюансы функции экзоскелета, новый метод измерения продемонстрировал свое внимание к деталям.

Сырые данные сами по себе не всегда раскрывают, адекватна ли посадка. Для улучшения точности своего метода команда также будет использовать вычислительные алгоритмы для анализа позиционных данных. Следующие шаги — разработать артефакты для руки, бедра и в основном все суставы, с которыми экзоскелет должен быть в линии, и затем выполнить подобные тесты.